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向阳口引水式水电站课程设计


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第 1 章 基本资料 --------------------------------------------------------- 1 第 2 章 水轮机选型设计 --------------------------------------------------- 2 2.1 机组台数与单机容量的选择 -------------------------------------------- 2 2.1.1 水轮机的选型原则和任务 ------------------------------------------ 2 2.1.2 机组台数的选择 -------------------------------------------------- 2 2.1.3 单机容量的选择 -------------------------------------------------- 3 2.2 水轮机特征水头的确定 ------------------------------------------------ 4 2.2.1 最大水头 H max ---------------------------------------------------- 4 2.2.2 最小水头 H min ---------------------------------------------------- 5 2.2.3 设计水头 H P ----------------------------------------------------- 6 2.3 水轮机型号及主要参数的选择 ------------------------------------------ 6 2.3.1 水轮机型号的选择 ------------------------------------------------ 6 2.3.2 HL220 型水轮机方案的主要参数选择 -------------------------------- 6 2.3.3 HL160 型水轮机方案的主要参数选择 ------------------------------- 12 2.3.4 两种方案的比较分析 --------------------------------------------- 17 2.3.5 绘制 HL220 运转特征曲线 ----------------------------------------- 18 2.4 蜗壳的形式和尺寸的确定 --------------------------------------------- 20 2.4.1 蜗壳形式的选择 ------------------------------------------------- 21 2.4.2 蜗壳设计的基本要求 --------------------------------------------- 21 2.4.3 蜗壳主要参数的选择 --------------------------------------------- 21 2.4.4 蜗壳的水力计算 ------------------------------------------------- 22 2.5 尾水管形式和尺寸的确定 ----------------------------- 错误!未定义书签。 2.5.1 尾水管形式的选择 ----------------------------------------------- 25 2.5.2 尾水管尺寸的确定 ------------------------------- 错误!未定义书签。 2.5.3 尾水管的局部尺寸变动 ------------------------------------------- 26

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第一章

基本资料

该电站在系统中担任调峰与调相的任务, 其日调节水库为大青岩水库, 入库径流由 官厅水库控制,所以用官厅水库下泄流量作为本电站的发电水量,而官厅水库的出库年 径流系列及均值为 14.04 亿立米(1955~1972 年)作为大青岩水库入库系列的均值。 电站首部为拦河坝, 位于丰沙线沿河城车站和幽州车站之间的大青岩坝址上游距幽 州车站 2.8km,下有距沿河城车站 3.2km,拦河坝采用重力坝,其主要数据如下: 最大坝高 27.5m 坝顶高 5.0m 坝长 112.5m 正常高水位 409.0m 最高洪水位 409.0m 死水位 405.0m 总库容 调节库容 坝顶高程 最大泄流量 溢流坝段长 非溢流段长 最大单宽流量 645 万 m3 245 万 m3 411.0m 2200 m 3 s 27.5m 27.5m 32.7 m 3 s

发电引水隧洞全长 4876.6m, 进口底高程 395.0m, 纵坡 2.3%, 圆形断面, 洞径 7.5m, 沿洞线主要穿过中厚层硅质灰岩,走向与洞线近正交,中段穿过霏细岩石。冲沙导流隧 洞位于拦河坝左岸,施工期间可作导流用,建成后用以冲砂,放空水库及分泄部分洪水 用,洞长 219.8m,直径 5.0m,进口底高程 388.0m,纵坡 6.6%,出口底高程 388.5m, 其最大最小流量分别为 156 m 3 s 和 126 m 3 s 。为了利于冲砂以保护发电洞,冲砂洞进口 在坝上有 30m 处,位于发电洞下部,形成双层进水口。高压管道穿过薄层,厚层和中层 硅质灰岩,穿过 F5 断层。主管直径 3.4m,高压管道全部采用钢板衬砌。 电站总装机容量 6 万 kW,电站厂房在向阳口村上游 300m 处,靠永定河左岸,该处 河岸为 70m 高的陡壁, 厂址放在断层下盘紧靠陡壁的基岩上, 考虑到沿河城大断层为活 动性断面,因此,将变电站与厂房按“一”字型布置在断层底基岩上。 向阳口 II 级电站尾水位与流量关系如下表: 向阳口 II 级电站尾水位与流量关系表 水位(m) 348.6 349.5 350 351 352 0 58 106 265 480 流量( m 3 s ) 水位(m) 353 354 355 356 357

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流量( m 3 s )

760

1150 0

175 0

257 0

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第二章

水轮机选型设计

水轮机是水电站中最主要的动力设备之一,它关系到水电站的工程投资,安全运行 和经济效益等重大问题, 因此在水能规划的基础上, 根据水电站水头和负荷的工作范围, 正确地进行水轮机选择是水电站设计的主要任务之一。

2.1 机器台数与单机容量的选择
2.1.1 水轮机的选型原则和任务
(一)水轮机选型的一般原则为: (1)机型的技术特性应适应该电站的水资源条件。 (2)尽可能缩短水电站的施工期,使机组早日投产,满足国民经济的需要。 (3)水轮机的运行稳定可靠,机动灵活,满足安全供电。 (4)力求水轮机的平均效率较高,使水电站获得较大的动能效益,尽可能降低水 电站造价,做到经济合理。 (5)考虑到供货的现实性,中小型水电站的水轮机要符合通用化、系列化、标准 化、的要求。 (6)水轮机的制造、运输、安装、运行方便。 上述原则应根据水电站的具体条件,权衡利弊,选出技术上先进可靠、经济上合理 的水轮机方案。 (二)水轮机选型的主要任务是: (1) 确定水轮机的特征水头 (最大水头、最小水头、设计水头、加权平均水头等)。 (2)选择水轮机的台数和型号。 (3)选定水轮机的标称直径、额定转速、吸出高程、安装高程等参数。 (4)确定水轮机的蜗壳和尾水管的型式和尺寸。 (5)确定调速器、油压装置的型式和尺寸。 (6)估算发电机的尺寸和重量等。

2.1.2 机组台数的选择
水电站的装机容量等于机组台数和单机容量的乘积。根据已确定的装机容量可以拟 定出不同的机组台数方案。当机组台数不同时,单机容量不同,水轮机的转轮直径、转 速也就不同, 有时甚至水轮机的型号也会改变, 从而引起水电站的工程投资、 运行效率、 运行条件以及产品供应等情况的变化。 目前上不可能从理论计算上求得合理的单机容量,因此在选择机组台数时应从下列 几方面综合考虑: (1)机组台数与机电设备制造的关系 机组台增多时,机组单机容量减小,尺寸减小,因而制造及运输都比较容易,这时 由于制造能力和运输条件较差的地区是有利的。但实际上小机组单位千瓦消耗的材料 多,制造也较麻烦,故一般都希望选择较大的机组。 (2)机组台数与水电站投资的关系 机组台数较多时,不仅机组本身的单位千瓦造价较高,而且随着机组台数的增加,

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相应的阀门、管道、调速器,辅助设备和电器设备的套数就要增加,电器结线也较复杂, 厂房平面尺寸也需加大,机组的安装维护工作量也将增加,因此从这些方面来看,水电 站的单位千瓦的投资将随机组台数的增加而增加。但另一方面,采用小机组则厂房的起 重能力、安装场地、基坑开挖量都可缩减,因此又可减少一些水电站的投资。总的来说 机组台数变化要引起水电站投资变化,在大多数情况下,机组台数增多将增大投资。 (3)机组台数与水电站运行效率的关系 当机组数目不同时水电站水轮机的平均效率也不同。机组台数增多能够增加水电站 的电能,但当增多到一定程度,在增多时对水电站的运行效率就不会有显著的影响了。 当水电站在电力系统中担任基荷工作时,选择机组台数少,可使水轮机在较长时间内以 最优工况运行,使水电站保持较高的平均效率。当水电站担任系统尖峰负荷时,由于负 荷经常变化, 而且幅度较大, 为使每台机组都可以高效率工作, 就需要更多的机组台数。 此外,由于水轮机类型的不同,机组台数对水电站平均效率的影响也不同。如:轴 流转桨式水轮机,犹豫其高效率区比较宽广,单机效率变化比较平稳,故机组台数的增 减对水电站平均效率的影响不大。但对轴流定桨式水轮机,当出力变化时效率变化就比 较剧烈,因此增加机组台数,对于提高水电站的平均效率就比较显著。 (4)机组台数与水电站运行维护工作的关系 当机组台数较多时,单机容量就小,水电站的运行方式机动灵活,机组发生事故后 所产生的影响小,检修也较容易安排。但因运行操作次数随之增加,发生事故的几率增 高了,同时管理人员增多,运行费用也提高了。因此不宜选用过多的机组台数。 上述各种因素既相互联系又相互影响,不可能都一一满足,所以在选择机组台数时 应针对电站具体情况而定。为了水电站运行的可靠性和灵活性,一般不少于两台且大多 数情况下机组台数用偶数。同时为了制造、安装、运行维护及设备供应的方便,在一个 水电站内尽可能的选用同一型号的机组。 本设计为引水式水电站,电站的总装机容量为 6 万千瓦,属中型水电站( 2.5 万 kw<N<25 万 kw),按老师布置的课设要求本设计选用三台机组。

2.1.3 单机容量的选择
水轮机的单机容量 N 为: N?

N总 n

(万kw)

(2.1)

式中: N 总 —总的装机容量,本设计为 6 万 kw; n—机组台数,本设计为 3 台 N总 6 将数据代入上式得: N ? ? ? 2 (万 kw) n 3 水轮机额定出力: NT ? 9.81QH?
NT ?

(2.2)
Ne

?F

式中: N e —发电机额定出力,kw

? F —发电机效率,大中型发电机 0.95~0.98;本设计取 0.96。
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NT ?

?F

Ne

?

2 ? 2.083 万kw 0.96

2.2 水轮机特征水头的确定
水轮机型号的选择中起主要作用的是水头。水轮机的任一工作状况的工作性能可采 用水轮机的水头、流量、效率、出力和转速等工作参数之间的关系来描述。 水轮机的水头也称工作水头,指单位重量水体通过水轮机时能量减小值,水轮机水 头随电站上、下游水位而变化。为此常用最大水头,最小水头,设计水头来表征水轮机 的运行范围和工作特性。

2.2.1 最大水头 H max
最大水头 H max ,是允许水轮机运行的最大净水头,通常由水轮机强度所决定。可由 下式进行估算 水电站出力: N水 ? AQH (kw) 式中: Q —水电站引用流量(m?/s); H—水电站的净水头,为水电站上、下游水位之差减去各种水头损失(m); A—出力系数,一般采用 6.5~8.5,大型水电站取大值,小型的取小值。本设计为中 型水电站取 A=7.5。 图 2.1 尾水位与流量关系拟合曲线图 1 (2.3)

试算: (1)初选定 Q ? 20m3 /s ,由向阳口 II 级电站尾水位与流量关系拟合曲线图查得
Q ? 20m3 /s 时,相应的 Z下 ? 348.95m ,已知 Z上 ? 409.0m ,考虑沿程等水头损失,则

H1 ? 0.97 (Z上 ? Z下) ? 0.97? (409.0 ? 348.95 ) ? 58.25
5

(2.4)

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N1 ? AQH ? 7.5 ? 20? 58.25 ? 8736 .98kw
其它流量的时候以此类推得出如下试算表: 表 2.1 最大水头试算表 Q Z下 Z上 H=0.97*(Z 上-Z 下) N=AQH 20 348.95 409.00 58.25 8736.98 30 349.11 409.00 58.09 13071.32 40 349.25 409.00 57.95 17386.44 41 349.27 409.00 57.94 17816.99 42 349.28 409.00 57.93 18247.37 43 349.29 409.00 57.92 18677.59 44 349.31 409.00 57.90 19107.65 45 349.32 409.00 57.89 19537.56 46 349.33 409.00 57.88 19967.30 46.01 349.33 409.00 57.88 19971.60 46.02 349.33 409.00 57.88 19975.90 46.03 349.33 409.00 57.88 19980.19 46.04 349.33 409.00 57.88 19984.49 46.05 349.33 409.00 57.88 19988.79 46.06 349.33 409.00 57.88 19993.08 46.07 349.33 409.00 57.88 19997.38 46.08 349.33 409.00 57.88 20001.68 46.09 349.33 409.00 57.88 20005.97 46.1 349.34 409.00 57.87 20010.27 而 实 际 N ? 20000 kw , 由 上 表 可 知 实 际 最 大 水 头 约 为 57.88m , 此 时 对 应 的
Q ? 46.08m3 /s , Z下 ? 349.33m 。

故最大水头为 H max ? 57.88m 。

2.2.2 最小水头
最小水头 H min , 是保证水轮机安全稳定运行的最小净水头。 当 3 台机组同时发电时, 所对应的流量也同理由试算法求得,负荷出力应与 N ? 6万kw 相接近。 图 2.2 尾水位与流量关系拟合曲线图 2

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(1) 令Q ? 1 0 6 m s /

3

,由向阳口 II 级电站尾水位与流量关系拟合曲线图得 Z下 ? 350m ,

已知 Z上 ? 405m 。 考虑沿程等水头损失, 则 H ? 0.97 (Z上 ? Z下) ? 0.97? (405? 350 ) ? 53.35

N1 ? AQH ? 7.5 ?106? 53.35 ? 42413 .25
它流量的时候以此类推得出如下试算表: 表 2.2 最小水头试算表 Q 106 126 146 147 148 149 150 150.1 150.2 150.3 150.4 150.5 150.6 150.7 150.71 150.72 150.73 150.74 Z下 350.00 350.11 350.25 350.25 350.26 350.27 350.27 350.27 350.27 350.27 350.28 350.28 350.28 350.28 350.28 350.28 350.28 350.28 Z上 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00 405.00
7

H=0.97*(Z 上-Z 下) 53.35 53.24 53.11 53.10 53.10 53.09 53.09 53.08 53.08 53.08 53.08 53.08 53.08 53.08 53.08 53.08 53.08 53.08

N=AQH 42413.25 50314.46 58155.09 58546.59 58938.05 59329.47 59720.84 59759.97 59799.11 59838.24 59877.38 59916.51 59955.64 59994.77 59998.69 60002.60 60006.51 60010.43

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当 N ? 60000 kw 时 , 由 上 表 可 知 实 际 最 小 水 头 约 为 53.08m , 此 时 对 应 的
Q ? 150.72m3 /s , Z下 ? 350.28m 。

故最小水头为 H min ? 53.08m 。

2.2.3 设计水头 H P
H max HP ? 4 ? H 2 ( max ? 1) H min ? 4? 57.88
2

? 57.88 ? ? ? ? 53.08 ? 1? ? ? ? 55.4
所以设计水头 H P ? 55.4m 。

(2.5)

2.3 水轮机型号及主要参数的选择 2.3.1 水轮机型号的选择
水轮机型号的选择是在已知机组单机容量和各种特征水头的情况下进行的,一般有 根据水轮机系列型谱选择和采用套用机组两种方法。本设计根据水轮机系列型谱进行选 择。 每种型号的水轮机都有其适用的水头范围,由此根据水电站的水头情况,可直接从 型谱表中选择出适合于该水电站的水轮机型号。有时可能选出两种型号同时都能适用, 这样可将两种机型均列入比较方案进行比较。 根据该水电站的水头变化范围 53.08~57.88m , 在水电站附表 2 大中型混流式水轮 机转轮型谱参数 ( 《水电站》 高等学校教材 徐招才刘申合编) 中查出合适的机型有 HL220 和 HL160 两种。现将这两种水轮机作为初选方案,分别求出其相关参数,并进行比较 分析。

2.3.2 HL220 型水轮机方案的主要参数选择
HL220 型水轮机适用水头为 50~85m,模型具体参数如下表 2.3 所示。 表 2.3 HL220 型水轮机模型转轮主要参数表 模型转轮 最优工况 限制工况 导叶 直径 叶 单位 比 相对 单位转 效率 气蚀 单位 效率 气蚀 D1 片 流量 转 ‘ 高度 速 n 10 η 系数 流量 η 系数 (mm 数 Q 速 ‘ b0/D1 (r/min) ‘ (%) σ Q 1(L/s) (%) σ ) Z1 ns 10(L/s) 460 14 0.25 70.0 1000 91.0 0.115 255 1150 89.0 0.133

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(1)

转轮直径 D1 的计算:

D1 ?

NT ' 3/ 2 9.81Q1 HP ?

(2.6)

式中: D1 —水轮机标称直径;
' ' Q1 —水轮机单位流量,查水电站附表 3 得 Q1 ? 1140L/s ? 1.14m3 /s ;

H P —设计水头, H P ? 55.4m ;
' ? —与 Q1 工况点相对应的原型效率,假设? ? 0.90 ;

N T —水轮机额定出力, N T ? 2.083万kw 。

将数据代入上式得 :

D1 ?

2.083?104 ? 2.24 9.81?1.14? 55.43 2 ? 0.90

查 《水电站》 (徐招才刘申合编) 表 3-3 选用与其接近而偏大的标称直径 D1 ? 2.25m 。 (2)转速 n 的计算
n? n1' H D1

(2.7)

' 式中: n1' —单位转速采用最优工况下单位转速, n10 ? 70.0r/min ;

H —采用设计水头, H P ? 55.4m ;

D1 —选定的标称直径, D1 ? 2.25m 。

将数据代入上式得
n? 70 55.4 ? 231.56 r min 2.25

取磁极对数 P ? 12,与其接近的同步转速 n ? 250 r / min 。 (3)效率及单位参数修正 查表可得 HL220 型水轮机在最优工况下的模型最高效率为? Mmax ? 91.0% ,模型转 轮直径为 D1M ? 0.460m 。 ①原型水轮机的最高效率

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5 ? max ? 1 ? (1 ? ? Mmax)

D1M D1
(2.8)

? 1 ? (1 ? 0.91)5 ? 0.9345

0.46 2.25

②效率修正值 由于制造工艺的影响,还需计入工艺修正值△工艺,中小型水轮机△工艺=2%~4%。本 设计取 2%
?? ? ? max ? ? Mmax ?△ 工艺 ? 0.9345? 0.91? 0.02 ? 0.0045

(2.9)

③单位转速的修正

? max ?n1' ? ?1 nˊ ? M max 1M
0.9345 ?1 0.91 ? 0.0134? 0.03 ?
由于 修正。
' ' ' n' n' 由上可见, 原假定的? ? 0.90 是正确的, 且 n' 1min ? n 1min M , 1P ? n 1 P M , 1max ? n 1max M

(2.10)

?n1' ? 0.03 ,按规定单位转速可不加修正,同时,单位流量影响较小也可不加 nˊ 1M

都无需修正,那么上述选用的结果 D1 ? 2.25m 、 n ? 250 r/min 也是正确的。 ④水轮机出力校核

NT ? 9.81QT H P?


(2.11)

' 2 QT —水轮机设计流量, Q1 式中: 根据 n' QT ? Q1ˊ1 D H; 1 ?

nD1 250? 2.25 ? ? 75.57 HP 55.4

' (r/min)与出力限制线交点处 Q1 =1.12m3/s,? M =0.9,代入式中得

? ? 0.9 ? 0.0045= 0.9045 QT ? 1.12? 2.252 55.4 =42.20m3/s,水轮机效率? ? ?M ?△
NT ? 9.81QT H P?


代入数据得

? 9.81? 42.2 ? 55.4 ? 0.9045 ? 20744 .3482kw ? 20000 kw

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满足出力校核的要求。 (4)工作范围的检验 在选定 D1 ? 2.25m 、 n ? 250 r/min 后,可以根据水电站的三个特征水头 H max 、 H P 、
H min 分别计算出单位转速 n' 1min ?

nD1 nD1 nD1 、 n' 、 n' 且无需修正。 1P ? 1max ? H max HP H min

与特征水头 H max 、 H P 、 H min 相对应的单位转速为:

n' 1min ?

nD1 250? 2.25 ? ? 73.94r / m i n H max 57.88 (2.12)
nD1 250? 2.25 ? ? 75.57r/min HP 55.4 nD1 250? 2.25 ? ? 77.21r/min H min 53.08

n' 1P ?

n' 1max ?

' 如下表,最大水头单位转速 n' 1min 对应的效率 ? M 和单位流量 Q 1M ,在 HL220-46 转轮综

合特性曲线上找到对应点 d,即定出水轮机工作范围。 表 2.4 最大水头单位转速对应的效率和单位流量试算表
n' 1min

?M
70% 80% 81% 82% 83% 84% 85% 86% 87% 88% 89% 90% 91% 92% 93% 94% 95%

NT

Q' 1M

73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94 73.94

20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830
11

1.361 1.191 1.176 1.162 1.148 1.134 1.121 1.108 1.095 1.082 1.070 1.058 1.047 1.035 1.024 1.013 1.003

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表 2.5 特征水头对应的效率和单位流量一览表

57.88

73.94

0.95

1.003

55.4

75.57

0.9

1.1234

53.08 77.21 0.89 1.124 通过绘制水轮机工作范围图,经检查水轮机工作范围 a、b、c、d、e 包括了高效率区。 图 2.3 HL220 水轮机工作范围图

(5) 吸出高度 Hs 的计算 由下式进行水轮机吸出高度的计算:
H s ? 10 ? ? ? ?? m ? ?? ?H ? (0.5 ~ 1.0) 900

(2.13)

式中: ? —水轮安装位置的海拔高程,在初始计算是可取为最大水头对应的下游 尾水位,本设计为 349.33m;

? m —模型气蚀系数,各种工况下的 ? m 可从该型号水轮机模型综合
特性曲线中查取;

?? —气蚀系数的修正值,可根据设计水头 H 由《水电站》 图 2-8 气蚀系 r
数修正值查取;
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H —水轮机水头。

列表计算,如表 2.5 项目 水头(m) 单位转速 n1' 气蚀系数 ? 修正值 ?? 表 2.5 吸出高度计算表 最大水头 设计水头 57.88 55.4 73.94 0.117 0.021 7.987 0.625 75.57 0.131 0.022 8.476 0.136 最小水头 53.08 77.21 0.133 0.023 8.280 0.332

?? ? ?? ?H
吸出高度 H s (m)

取最小值 H s ? 0.136,确定水轮机安装高程。 (6) 水轮机安装高程 立轴混流式水轮机采用下式计算水轮机的安装高程
Zs ? ? w ? H s ? b0 2

(2.14)

式中: ? w —下游最低尾水位( ? w =348.6m);
b 0 —导水叶高度,(由导叶相对高度 b 0 / D1 ? 0.25 可得 b 0 =0.5625)。

将数据代入上式得:

Z s =348.6+0.136+0.5625/2 =349.02 m

2.3.3 HL160 型水轮机方案的主要参数选择
HL160 型水轮机适用水头为 45~120m,模型具体参数如下表 2.6 所示。 表 2.6 HL160 型水轮机模型转轮主要参数表 模型转轮直径(mm) 460 设计单位流量 Q 1 (L/s) 670 (1) 转轮直径 D1 的计算


最优单位转速 n'10(r/min) 67 模型气蚀系数σ 0.065
m

设计单位转速 n'1 (r/min) 71 导叶高度 b0(mm) 103

13

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D1 ?
式中: D1 —水轮机标称直径;

NT ' 3/ 2 9.81Q1 HP ?

(2.15)

' ' Q1 —原型水轮机的设计单位流量,查得 Q1 ? 670L/s ? 0.67m3/s ;

H P —设计水头, H P ? 55.4m ;
' ? —与 Q1 工况点相对应的原型效率,假设? ? 0.90 ;

N T —水轮机额定出力, NT ? 20830 kw 。

将数据代入上式得

D1 ?

NT ' 3/ 2 9.81Q1 HP ?

20830 9.81? 0.67 ? 55.43 / 2 ? 0.9 ? 2.92m ?
查《水电站》(徐招才刘申合编)表 3-3 选用与其接近的转轮标准直径 D1 ? 3m 。 (2) 转速 n 的计算
n1' H n? D1
' 式中: n1' —单位转速采用最优工况下单位转速, n10 ? 67r / min ;

(2.16)

H —采用设计水头, H P ? 55.4m ;

D1 —采用选定的标称直径, D1 ? 3m 。

将数据代入上式得
n? 67 ? 55.4 ? 166.23r min 3

取磁极对数 P ? 18 ,选择与其相近的同步转速 n ? 166.67 r min 。 (3)效率及单位参数修正 查表可得 HL160 型水轮机在最优工况下的模型最高效率为?Mmax ? 91.5% ,模型转 轮直径为 D1M ? 0.46m 。
14

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①原型水轮机的最高效率为:
5 ? max ? 1 ? (1 ? ? Mmax)

D1M D1 0.46 (2.17) 3

? 1 ? (1 ? 0.915)5 ? 0.9416

②效率修正值 由于制造工艺的影响,还需计入工艺修正值△工艺,中小型水轮机△工艺=2%~4%。本 设计取 2%

?? ? ?max ? ? Mmax ?△ 工艺 ? 0.9416? 0.915? 0.02 ? 0.0066
③单位转速的修正 (2.18)

? max ?n1' ? ?1 nˊ ? M max 1M
0.9416 ?1 0.915 ? 0.0144? 0.03 ?
由于 修正。
' ' ' n' n' 由上可见, 原假定的? ? 0.90 是正确的, 且 n' 1min ? n 1min M , 1P ? n 1 P M , 1max ? n 1max M

(2.19)

?n1' ? 0.03 ,按规定单位转速可不加修正,同时,单位流量影响较小也可不加 nˊ 1M

都无需修正,那么上述选用的结果 D1 ? 3m 、 n ? 166 .67 r/min 也是正确的。 ④水轮机出力校核

NT ? 9.81QT H P?

' 2 式中:QT —水轮机设计流量,QT ? Q1ˊ1 根据 n' D H ;Q1 1 ?

(2.20)

nD1 166.67? 3 ? ? 67.18 HP 55.4

' (r/min)与出力限制线交点处 Q1 =0.67m3/s,? M =0.89,代入式中得

? ? 0.89 ? 0.0066= 0.8966 QT ? 0.67? 32 55.4 =44.88m3/s,水轮机效率? ? ?M ?△
NT ? 9.81QT H P?


代入数据得

? 9.81? 44.88? 55.4 ? 0.8966 ? 21869 .072kw ? 20000 kw
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满足出力校核的要求。 (4)工作范围的检验 在选定 D1 ? 3m 、 n ? 166 .67 r/min 后,可以根据水电站的三个特征水头 H max 、 H P 、
H min 分别计算出单位转速 n' 1min ?

nD1 nD1 nD1 、 n' 、 n' 且无需修正。 1P ? 1max ? H max HP H min

与特征水头 H max 、 H P 、 H min 相对应的单位转速为:

n' 1min ?

nD1 166.67? 3 ? ? 65.72r/min H max 57.88 nD1 166.67? 3 ? ? 67.18r/min HP 55.4 nD1 166.67? 3 ? ? 68.63r/min H min 53.08

n' 1P ?

n' 1max ?

' 如下表,最大水头单位转速 n' 1min 对应的效率 ? M 和单位流量 Q 1M ,在 HL160-46 转

轮综合特性曲线上找到对应点 d,即定出水轮机工作范围。 表 2.7 最大水头单位转速对应的效率和单位流量试算表 NT 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 65.72 70% 80% 81% 82% 83% 84% 85% 86% 87% 88% 89% 90% 91% 92% 93% 94% 95%
16

NT 0.765 0.670 0.661 0.653 0.646 0.638 0.630 0.623 0.616 0.609 0.602 0.595 0.589 0.582 0.576 0.570 0.564

20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830 20830

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表 2.8 特征水头对应的效率和单位流量一览表

57.88

65.72

0.95

0.564

55.4

67.18

0.895

0.675

53.08

68.63 0.891 0.671 图 2.4 HL160 工作范围图

通过绘制水轮机工作范围图,经检查水轮机工作范围 a、b、c、d、e 包括了高效率区。 (5) 吸出高度 Hs 的计算 由下式进行水轮机吸出高度的计算: ? H s ? 10 ? ? ?? m ? ?? ?H ? (0.5 ~ 1.0) 900 式中: ? —水轮安装位置的海拔高程,在初始计算是可取为最大水头对应的下游 尾水位,本设计为 349.33m;

? m —模型气蚀系数,各种工况下的 ? m 可从该型号水轮机模型综合
特性曲线中查取;

?? —气蚀系数的修正值,可根据设计水头 H 由《水电站》 图 2-8 气蚀系 r
数修正值查取;

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H —水轮机水头。

列表计算,如表 2.9 项目 水头(m) 单位转速 n1' 气蚀系数 ? 修正值 ?? 表 2.9 吸出高度计算表 最大水头 设计水头 57.88 55.4 65.72 0.061 0.021 4.746 3.866 67.18 0.063 0.022 4.709 3.903 最小水头 53.08 68.63 0.065 0.023 4.671 3.941

?? ? ?? ?H
吸出高度 H s (m)

取最小值 H s ? 3.866,确定水轮机安装高程。 (6) 水轮机安装高程 立轴混流式水轮机采用下式计算水轮机的安装高程
Zs ? ? w ? H s ? b0 2

(2.21)

式中: ? w —下游最低尾水位( ? w =348.6m);
b 0 —导水叶高度, b 0 =0.6717m。

将数据代入上式得:

Z s =348.6+3.866+0.6717/2 =352.802 m

2.3.4 两种方案的比较分析
为了便于比较分析,现将这两种的有关参数列入下表。 表 2.10 HL220 和 HL160 水轮机方案参数对照表 序号 项目 HL220 1 2 3 4 模型转轮参数 5 模型气蚀系数 ? 0.133 0.065 模型转轮参数 推荐使用的水头范围 ( m )
' 最优单位转速 n10 (r / min)

HL160 45~120 67 670 91.5

50~85 70 1150 91

最优单位流量 Q10 ?L/s?


最高效率?M max (%)

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6 7 8 9 10 11 12 原型水轮机参 数

工作水头范围 ( m ) 转轮直径 D1 ?m? 转速 n(r / min) 最高效率?max (%) 额定出力 NT ?kw? 吸出高度 H s ( m ) 安装高程 Z s ( m )

53.08~57.88 2.25 250 93.45 20830 0.136 349.02

53.08~57.88 3.0 166.67 94.16 20830 3.866 352.802

从上列对照表来看, 两种不同型号的水轮方案在同样水头下的同时工作满足额定出力的 情况下,两者比较来看,HL220 包含了较多的高效率区,这可以提高水电站的年发电量, 直径较小,制作简便;而 HL160 型方案的优点仅表现在水轮机的安装高程高,有利于 减小施工开挖量。由此看,若在制造供货方面没有问题时,初步选用 HL220 型方案较 为有利。在技术设计阶段,尚需要计算出个方案的动能指标和经济指标,进一步进行分 析比较,以选出合理的方案。本设计采用 HL220 型号的水轮机。

2.3.5 绘制 HL220 运转特性曲线
本部分计算表见附表一,附表二,CAD 图,小图部分如下

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2.4 蜗壳的形式和尺寸的确定
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2.4.1 蜗壳形式的选择
蜗壳是反击式水轮机的重要引流部件。根据材料可分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两 种,当水头小于 40 米时多采用钢筋混凝土浇制成的蜗壳,简称混凝土蜗壳;当水头大 于 40 米时,由于混凝土结构不能承受过大的内水压力,常采用钢板焊接或铸钢蜗壳, 统称金属蜗壳。由于该电站水头大于 40 米,所以选用金属蜗壳。

2.4.2 蜗壳设计的基本要求
(1)过水表面应光滑、平顺,水力损失小; (2)保证水流均匀、轴对称地流进导水机构; (3)水流在流进导水机构前应具有一定的环量,以保证在主要的运行工况下水流 能以较小的冲角进入固定导叶和活动导叶,减小导水机构的水力损失; (4)具有合理的断面形状和尺寸,以降低厂房投资及便于倒水机构的接力器和传 动机构的布置; (5)具有必要的强度和合适的材料,以保证结构上的可靠性和抵抗水流的冲刷。

2.4.3 蜗壳主要参数的选择
蜗壳的主要参数有蜗壳的包角、蜗壳断面形状和蜗壳进口断面流速。 (1)蜗壳的包角 从蜗壳的鼻端至蜗壳进口断面之间的夹角称为蜗壳的包角, 常用 ? 0 表示。 蜗壳的鼻 端即为与蜗壳末端连接在一起的那一个特殊固定导叶的出水边。 蜗壳包角的大小直接影响蜗壳的平面尺寸,包角大时(接近 360°),水轮机流量 全部经蜗壳进口断面进入水轮机,因此进口断面较大;包角较小时,部分流量直接进入 导水机构,经进口断面进入水轮机的流量减少,进口断面尺寸相应减小,包角为 180° 时蜗壳宽度最小。 对于金属蜗壳,由于其过流量较小,允许的流速较大,因此外形尺寸对厂房造价影 响较小。为了获得良好的水利性能及考虑到其结构和加工工艺条件的限制,一般采用

? 0 =345°。本设计采用 345°。
(2)蜗壳的断面形状 金属蜗壳的断面均做成圆形,以改善其受力条件。在接近鼻端,由于和座环蝶形边 光滑过渡及焊接上的需要,断面形状接近于椭圆形。 (3)蜗壳进口断面流速 Vc 蜗壳的进口断面为经过转轮中心与引水道中心线垂直的过水断面。蜗壳进口断面流 速的大小不仅与蜗壳尺寸大小有关,还与蜗壳内水头损失有关。流量相同时,进口断面 流速大,断面尺寸就小,机组间距也可减小,但蜗壳内水头损失就大;流速小,断面尺 寸就大,将增加厂房投资。 蜗壳进口断面流速可根据下式计算:

V ? a c HP
式中: H P —设计水头,m;本设计 H P ? 55.4m
22

(2.22)

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a c —与水头及蜗壳材料有关的系数,按下表 2.11 查用。

表 2.11 设计水 头 HP (m)
ac

金属蜗壳流速系数 a c 80 100 150 200 300

20

40

60

1.0

0.97

0.91

0.85

0.80

0.71

0.65

0.60

金属蜗壳进口允许极限流速为 14~15m/s。

2.4.4 蜗壳的水力计算
通过水力计算确定蜗壳各部分尺寸。由于蜗壳直接与水轮机座环相连,因此必须知 道座环的尺寸,包括高度 b 0 、外直径 D a 、内直径 D b 、蜗壳断面形状及设计流量 Q r 与 包角 ? 0 。

ρ

?

ρ

a-金属蜗壳的计算; b-座环尺寸 图 金属蜗壳的计算和座环尺寸 本设计水轮机具体数据如下表 2.12 所示。 表 2.12 水轮机具体数据 转轮直径 设计水头 导叶相对高 导叶高度 外直径 设计流量 Q T D1 HP 度 b0/D1 b0 Da 3 2.25m 55.4m 42.2m /s 0.25 0.5625m 3.850 (1)进口断面流速 V0

内直 径 Db 3.250

本电站的设计水头为 55.4m,由金属蜗壳流速系数表经过拟合曲线法算得金属蜗壳 流速系数为 a c =0.9283。则蜗壳进口断面流速为

V0 ? a c H r =0.9283 ? 55.4 =6.909m/s<14~15m/s (满足要求) (2.23)

23

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(2)进口断面流量 Q0 由于水流沿座环均匀进入导水机构及转轮,故经任一蜗壳断面的流量 Q? 为:
Q? ? QT ? 360

(2.24)

式中: ? —表示计算断面与蜗壳尾端断面的夹角;
QT —水轮机的设计流量

蜗壳进口断面的流量为当 ? ? ? 0 时的流量,即
Q0 ? QT 42.2 ?0 ? ? 345 ? 40.44 m 3 s 360 360

(3)进口断面面积 F0
F0 ? Q0 40.44 ? ? 5.8535 m2 V0 6.909

(2.25)

(4)进口断面半径 ?0

?0 ?

F0

?

?

5.8535 ? 1.3 6 m 5 3.14

(2.26)

(5)进口断面中心距 rc1

rc1 ? r0 ? x
x ? ?0 2 ? h 0 2

(2.27) (2.28)

式中: r0 —蝶边 A 处半径;由水电站机电设计手册可以查得当 D1=2.25 时, Da=3.85m,Db=3.25m,K=0.1,r=0.2,可以算出 r0=Da/2+K=3.85/2+0.1=2.025m x —断面中心距蝶边距离;
h 0 —蝶形边到导水机构中心线高程,由水电站机电设计手册可以查

得当

D1=2.25 时 Da=3.85m,Db=3.25m,K=0.1,由此可得 D ? Db 3.85 ? 3.25 h0 ? ( a ? K ) tan 55? ? ( ? 0.1) tan 55? ? 0.5713 m (2.29) 2 2 将数据代如上式得
2 2 rc1 ? r0 ? ? 0 ? h0 ? 2.025 ? 1.365 2 ? 0.5 7 1 23 ? 3.2 6 4 m 7

(2.30)

(6)进口断面外半径 R 0
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R0 ? rc1 ? ?0 ? 3.2647? 1.458 ? 4.7227m
(7)蜗壳常数 C
C?

(2.31)

?0
2 rc1 ? rc2 1 ? ?0

?

345 ? 3.2647 ? 3.2647 2 ? 1.365 2

? 1153 .628

(2.32)

(8)由蜗壳圆形断面计算图的几何关系得

Xi ?

?i
C

? 2r0

?i
C

? h0

2

(2.33) (2.34) (2.35) (2.36)

?i ? h 0 2 ? Xi 2
R i ? rci ? ? i rci ? r0 ? xi

表 2.13 金属蜗壳圆形断面计算表( ? i 的变化幅度采用 30°) 断 面 号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

345 315 285 255 225 195 165 135 105 100

0.2991 0.2731 0.2470 0.2210 0.1950 0.1690 0.1430 0.1170 0.0910 0.0867

2.0 25 2.0 25 2.0 25 2.0 25 2.0 25 2.0 25 2.0 25 2.0 25 2.0 25 2.0 25

1.2112 1.1059 1.0005 0.8952 0.7899 0.6846 0.5793 0.4739 0.3686 0.3511

0.326 4 0.326 4 0.326 4 0.326 4 0.326 4 0.326 4 0.326 4 0.326 4 0.326 4 0.326 4

0.9406 0.8829 0.8211 0.7542 0.6808 0.5985 0.5029 0.3841 0.2055 0.1571

1.23 97 1.15 59 1.06 81 0.97 53 0.87 59 0.76 75 0.64 59 0.50 12 0.29 65 0.24 38

1.53 68 1.33 62 1.14 09 0.95 11 0.76 71 0.58 91 0.41 72 0.25 12 0.08 79 0.05 94

1.36 50 1.28 94 1.21 13 1.13 03 1.04 57 0.95 68 0.86 23 0.76 00 0.64 37 0.62 11

3.26 47 3.18 09 3.09 31 3.00 03 2.90 09 2.79 25 2.67 09 2.52 62 2.32 15 2.26 88

4.62 97 4.47 03 4.30 44 4.13 05 3.94 66 3.74 93 3.53 32 3.28 61 2.96 52 2.88 99

2.5 尾水管形式和尺寸的确定
25

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尾水管是反击式水轮机过流通道的最后部分,转轮出口的水流通过尾水管将流速逐 渐减小后排入下游, 因而尾水管的形式和尺寸在很大程度上影响到水电站下部土建工程 的投资和水轮机运行的效率及稳定性。 尾水管的作用有: (1)汇集并引导转轮出口水流排往下游; (2)当 H 2 ? 0 时,利用这一高度水流所具有的位能; (3)回收转轮出口水流的部分动能。

2.5.1 尾水管形式的选择
尾水管型式很多,目前常用的有直锥形,弯锥形和弯肘形三种形式。其中直锥形结 构简单,性能最好(?w 可达 80%~85%),但其下部开挖量较大,因此一般应用于小型 水轮机。弯锥形尾水管比直锥形尾水管多了一段圆形等径的弯管,它是常用于小型卧式 水轮机的一种尾水管,由于其转弯段水力损失小大,所以其性能较差, ?w 约为 40%~ 60%。弯肘形尾水管不但可减小尾水管开挖深度,且有良好的水力性能,?w 可达 75%~ 80%,因此,除贯流式机组外几乎所有的大中型水轮机均采用这种尾水管,所以本设计 采用弯肘形尾水管。

2.5.2 尾水管尺寸的确定
弯肘形尾水管由进口直锥段、中间弯肘段和出口扩散管三部分组成。 (1)进口直锥段 进口直锥段是一段垂直的圆锥形扩散管,其内壁设金属里衬,以防止旋转水 流和涡带脉动压力对管壁的破坏。其单边扩散角 ? 的最优值为:对于转浆式水轮机

? =8~10°;对于混流式水轮机 ? =7~9°,本设计为混流式水轮机取 8°。
(2)中间弯肘段(肘管) 中间弯肘段常称为肘管,它是一段 90°转弯的变截面弯管,其进口断面为圆形,出 口断面为矩形。断面变化较复杂,故要求水流条件尽可能顺畅,断面变化应较为平顺, 现多采用标准型弯管。弯管段一般不设金属里衬,但当水头大于 150m 时或尾水管平均 流速大于 6m/s 时,宜设金属里衬,以防止混凝土被冲坏。 表 2.14 混凝土标准肘管尺寸表 D4 h4 B6 L1 h6 a R6 a1 R7 a2 R8 1
3.037 5

1
3.037 5

2.015

1.35

0.5

0.36

0.86
2.612 25

1.1
3.341 25

0.6
1.822 5

0.08
0.243

0.58
1.7617 5

6.12056 4.100 25 625

1.518 1.0935 75

(3)出口扩散段 出口扩散段是一段水平放置、两侧平行、顶板上翘α 角的矩形扩散管。其顶板仰角 一般取 ? =10°~13°,本设计取 12°。当出口宽度过大时,可按水工结构要求加设中

26

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间支镦,支镦厚度取 b 5 =(0.1~0.15) B5 ,并考虑尾水门槽布置的需要,出口扩散段内通 常不加金属里衬。 (4)尾水管的高度 尾水管的高度是指水轮机底环平面至尾水管底板的高度,它是决定尾水管性能的主 要参数。增大 h 可提高尾水管的效率,但将增加厂房土建投资;减小 h 会影响尾水管的 工作性能,降低水轮机效率,甚至影响机组运行的稳定性。 (5)尾水管的水平长度 尾水管的水平长度 L 是指机组中心线到尾水管出口断面的距离。 增大 L 可使尾水管 出口面积增大,从而降低尾水管的出口动能损失,但过分增大 L 将使尾水管的内部水力 损失以及厂房尺寸增大。 尾水管的性能直接影响水轮机的效率,为了保证尾水管的使用性能,本设计采用标 准尾水管,尾水管尺寸见下表。 表 2.15 尾水管尺寸表 h4 h6 L1 h5

D1

h

L

B5

D4

肘管型式

适用范围

1 2.6 4.5 2.72 1.35 1.35 0.675 1.82 1.22 2.25 5.85 10.125 6.12 3.0375 3.0375 1.51875 4.095 2.745 D3=D4-2h3tan ? =3.0375-2×2.5425×tan 8 ? =2.3228m

标准混凝土肘 混流式 D1<D2 管

2.5.3 尾水管的局部尺寸变动
在水电站设计时,有时为了满足施工方便、厂房布置紧凑及适应地形、地质条件等 实际工程要求,需要对上述推荐的尾水管尺寸做适当的变动,但这些变动不可对尾水管 的性能指标造成严重影响,有些尺寸的变动(如高度 h 小于推荐值下限)需经过水轮机 制造厂家同意,并经过充分的论证或试验研究后才可确定。

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